Los investigadores del buque insignia de grafeno de Europa han demostrado corrientes eléctricas superconductoras en el grafeno, material bidimensional, que rebotan entre los bordes de las hojas sin dispersarse. Esta primera observación directa del reflejo balístico de las ondas de electrones en un sistema 2d con supercorrientes podría llevar al uso de uniones Josephson basadas en grafeno en aplicaciones como circuitos lógicos digitales avanzados, magnetómetros y voltímetros ultrasensibles.

Una unión de Josephson se hace intercalando una capa delgada de material no superconductor entre dos capas superconductoras. Los pares entrelazados de electrones superconductores conocidos como pares de Cooper son en ciertas circunstancias capaces de viajar sin resistencia a través de la capa intermedia aislante o parcialmente aislante.

La corriente libre de resistencia se produce hasta una corriente crítica, por encima del cual se establece un voltaje variable en el tiempo (alterno) a través de la unión. Detectar y medir el cambio entre los estados actuales es la base de muchas aplicaciones que explotan las uniones Josephson.

Los circuitos lógicos electrónicos se pueden construir a partir de matrices de uniones Josephson, que también se utilizan en dispositivos de interferencia cuántica superconductores. Los CALAMARES son extremadamente sensibles a los campos electromagnéticos, y forman la base de magnetómetros que pueden medir campos tan bajos como unos pocos attoteslas (10-18T), y voltímetros que responden a diferencias de potencial de picovoltios (10-12 V).

Los usos prácticos de estos dispositivos ultrasensibles incluyen la medición de corrientes neurológicas en el cerebro o el corazón, e investigación geofísica. Las aplicaciones militares incluyen la detección remota de submarinos.

En el último número de la revista Nanotecnología de la naturaleza , un equipo internacional de físicos dirigido por el miembro de Graphene Flagship Lieven Vandersypen, que tiene su sede en el Instituto Kavli de Nanociencia en Delft, demostrar firmas inequívocas de uniones de Josephson en grafeno, un alótropo bidimensional de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal. En el papel, cuyos autores principales son Victor Calado y Srijit Goswami, los investigadores analizan las supercorrientes balísticas en el grafeno, con los electrones reflejándose entre los contactos de borde unidimensionales hechos de molibdeno-renio.

El grafeno ultralimpio utilizado en el experimento, requerido para preservar las propiedades eléctricas únicas del material, está protegido de la contaminación ambiental al estar encapsulado entre láminas de nitruro de boro hexagonal de material aislante 2d. Esta pila de tres capas luego se corta en la forma deseada, y el grafeno puesto en contacto con la aleación superconductora.

Al igual que con la luz rebotando de un lado a otro entre dos espejos, que conduce a un patrón de interferencia creado por la superposición de ondas electromagnéticas incidentes y reflejadas, los electrones pueden reflejarse desde los bordes de un superconductor. La diferencia es que la interferencia de electrones solo se observa en muestras ultralimpias, en el que es posible que las partículas cargadas se muevan en trayectorias balísticas con una dispersión mínima de las impurezas en el material.

Esto es lo que Calado, Goswami y sus colegas observaron en su configuración, con una sorprendente modulación de la supercorriente. En su artículo Nature Nanotechnology, los investigadores se refieren a la corriente crítica que oscila como resultado de la interferencia de fase coherente de los electrones y los huecos de electrones que llevan la corriente. Esto es causado por la formación de una cavidad resonante (Fabry-Pérot) entre los puntos del espejo. Es más, se ven supercorrientes relativamente grandes, viajando a distancias de hasta 1,5 micrómetros. Los investigadores creen que esta es la primera observación directa del reflejo balístico de las supercorrientes en el grafeno.

"Este trabajo nos permite desentrañar nueva física relacionada con la interacción entre la superconductividad y el comportamiento relativista de los electrones en el grafeno, "dijo Goswami." Con esta tecnología, podemos estudiar y explotar las uniones de Josephson de grafeno en una nueva, emocionante régimen ".